20 задач по промышленной электронике

Туннельные диоды выполняются из полупроводников с большим количеством примесей (вырожденные полупроводники). Вольтамперная характеристика p-n перехода, выполненного на основе вырожденных полупроводников, имеет область с отрицательным сопротивлением, на котором при увеличении напряжения протекающий ток уменьшается.

Элемент, обладающий отрицательным сопротивлением, не потребляет электрическую энергию, а отдает ее в цепь, т.е. является активным элементом цепи.

Наличие падающего участка вольтмаперной характеристики позволяет применять туннельные диоды в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний широкого диапазона частот, включая СВЧ, и в качестве высокоскоростных переключателей.

Туннельные диоды выполняются из вырожденных полупроводников, главным образом из германия, кремния и арсенида галлия. Т.к. для туннельного перехода носителей сквозь потенциальный барьер p-n переход должен быть узким и резким, то p-n переходы туннельного диода изготавливают методом вплавления. Кроме того, применяется метод эпитаксильного наращивания вырожденных слоев, который также позволяет получить резкие переходы. Для уменьшения емкости (а, следовательно, для повышения верхней граничной частоты, на которой туннельный диод может работать как активный элемент с отрицательным сопротивлением) применяется метод получения p-n переходов малой площади. Вольт-амперная хар-ка туннельного диода Вольтамперная характеристика туннельного диода показана на рисунке. Ее вид зависит от концентрации примесей, от рода примесей при одном и том же значении концентрации и от температуры, причем зависимость от температуры различна для туннельных диодов, выполненных из разных материалов.

Основным параметром, характеризующим вольтамперную характеристику туннельного диода, является отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризующее наклон падающего участка : Т. к. туннельное прохождение электронов сквозь потенциальный барьер перехода не связано с медленным процессом диффузии, то скорость передачи туннельного тока очень велика (порядка p-n перехода С, сопротивлением потерь На частотах выше При работе туннельного диода в переключающих схемах его быстродействие характеризуется величиной времени переключения Условно-графическое изображение: Пример: Диод туннельный из арсенида галлия АИ101А I .п = 1 мА, I .о = 0,2мА, C .д = 4 пФ АИ101А Аматериал(арсенид галлия ) Идиод туннельный 1-диапазон основных параметров (мощность,основное назначение) 01-номер разработки А-технологическое деление на параметрические группы 3.2 Выпрямительные диоды (силовые диоды. вентили). Выпрямительные ПД применяются для преобразования переменного тока низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления (выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малой и средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности - 50 Гц.

Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал). В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования: а) малый обратный ток б) большое обратное напряжение; в) большой прямой ток; г) малое падение напряжения при протекании прямого тока. Для того, чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом. Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны , имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше.

Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.

Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диода от температуры показана на рис.2.1. Из рисунка 2.1 следует, что ход прямой ветви вольтамперных характеристик при изменении температуры изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.

Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для гермениевых диодов.

Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации p-n переходу обратное напряжение. При тепловом пробое В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов - электрическим. Это определяет значения Условно-графическое изображение: Пример: Диод кремниевый сплавной КД203Д I .п = 10 А, I .о = 1500мкА, U обр, max =1000 В, масса 10 г. КД203Д К –материал кремний Д – диод выпрямительный 2 –диапазон основных параметров(мощность,основное назначение) 03 –номер разработки Д – технологическое деление на параметрические группы Шифр 04 Задача 4 Вариант8 Дано: R 3= 50 кОм, R 4= 70 кОм , R 5=0,35 кОм, U вх= 15 В(синусоидальное), Определить амплитуды и формы напряжения на выходе.

Начертить графики напряжений.(диоды считать идеальными). Типы диодов VD 3-КД226А, VD 4-КД226А, VD 5-ГД402А, VD 6-КС131А.Входное напряжение синусоидальное. Схема б Расмотрим воздействие положительной части сигнала: схема примет вид: i1=i2=i3=0, следовательно U вых= i3 R3= 0 Расмотрим воздействие отрицательной части сигнала: схема примет вид: i 1= i 2= U вх/ R 3, i 3 0 следовательно U вых 0 (с учётом характеристик реальных диодов U вых= - U пр , где U пр-прямое напржение(падение напряжения на диоде VD 4, когда он открыт)) U вых=0 в любой момент времени.

Параметры диодов VD 3 VD 4,: U пр=1В, U обр.макс.=400 В, I пр.макс.=0,3 А, I обр.= График напряжения на выходе,будет иметь вид: Диоды идеальные где,Т-период,А-амплитуда напряжения на входе, А*-амплитуда напряжения на выходе Для реальных диодов график примет вид: Схема В Параметры диода VD 5:тип ГД 402А U пр=0,45В, U обр.макс.=15 В, I пр.макс.=0,03 А, I обр.= Параметры стабилитрона VD 6: тип КС 131А U ст=3,1В, I ст.макс.=0,081 А, I обр.= Рассмотрим воздействие положительной части сигнала: схема примет вид: Следовательно: Диод VD 5 открыт,его сопротивление меньше R 5,через стабилитрон будет протекать ток стабилизации i = U вх/ R 5= U вых= U ст=3,1 В Рассмотрим воздействие отрицательной части сигнала: схема примет вид: следовательно : диод VD 5 закрыт, i =- I обр.=- Соответственно U вых= 0 График напряжения на выходе,будет иметь вид: Шифр 04 Задача 5 Вариант7 Построить ВАХ иследуемого стабилитрона,определить основные хар-ки. Схема иследования Данные иследования:

Коэффициент перед показывает, как изменяется ток коллектора I к при единичном изменении тока базы I б Схема эксперимента Проверим результаты расчёта, данные в таблице: Рассчитано верно Рассчитано неверно Ответ: описка, вместо 0,999 должно быть 0,9901 Шифр 04 Задача 8 Вариант4 Изобразить структуру,обозначение и передаточную хар-ку полевого транзистора,с изолированным затвором и индуцированным n -каналом. Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 2 В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U ЗИпор ). Принцип действия При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U ЗИпор ) у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой эффект поля и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U ЗИпор , у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком.

Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, т. е. ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом. стоко – затворная характеристика полевого транзистора со встроеным каналом n - типа. Шифр 04 Задача 9 Вариант3 Полупроводниковые,газоразрядные индикаторы.Дать определение,принцип работы,условное графическое обозначение и область применения.Достоинства и недостатки.

Индикаторы газоразрядные, газонаполненные приборы для визуального воспроизведения информации. В И. г. используется главным образом свечение катодной области тлеющего разряда. Они имеют высокую надёжность, долговечность (до 10 000 ч), большую яркость (сотни - тысячи нит), малую потребляемую мощность.

Различают И. г.: сигнальные, в которых информация представляется в виде точки или малой светящейся области (неоновые индикаторные лампы и индикаторы малых уровней напряжения); знаковые, в которых информация представляется в виде различных знаков, образуемых светящимися электродами, имеющими отдельные выводы; линейные (аналоговые и дискретные), в которых информация представляется в виде светящегося столбика (длина его пропорциональна силе тока, протекающего через прибор) или в виде светящейся точки (положение точки определяется числом импульсов, поданных на вход устройства, управляющего работой индикатора); матричные, в которых информация представляется в виде совокупности светящихся точек на плоском экране, состоящем из нескольких десятков тысяч газосветных ячеек, образующих матрицу из рядов и столбцов. Условно-графическое изображение газоразрядного индикатора. К недостаткам газоразрядных индикаторов, следует отнести высокие напряжения, низкую разрешающую способность, трудность получения всей цветовой палитры.

Полупроводниковые индикаторы являются одним из видов знакосинтезирующих индикаторов (ЗСИ), под которыми понимаются приборы, где информация, предназначенная для зрительного восприятия, отображается с помощью одного или совокупности дискретных элементов (ГОСТ 25066-81). ППИ являются активными знакосинтезирующими индикаторами, в которых используется явление инжекционной электролюминесценции.

Явление электролюминесценции в полупроводниковых материалах, т. е. излучение света рn переходом, было впервые обнаружено и исследовано в 1923 г. О. В. Лосевым.

Дальнейшие исследования отечественных и зарубежных ученых в 60 — 70-х годах позволили исследовать и определить перечень полупроводниковых материалов, обладающих высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую.

Полученные значения светотехнических параметров позволили создать ППИ, пригодные для практического применения. Условно-графическое изображение полупроводникового индикатора.

Излучение генерируется либо внутри полупроводникового элемента в одноступенчатом процессе излучательной рекомбинации электронов и дырок, либо в результате более сложных двухступенчатых процессов генерации инфракрасного излучения внутри полупроводникового элемента с последующим возбуждением внешнего слоя антистоксового люминофора. Из-за малого КПД второй способ люминесценции не получил широкого распространения при проектировании полупроводниковых индикаторов.

Преимущество перед другими видами ЗСИ. Основными из них являются: во-первых, полная конструктивная и технологическая совместимость с интегральными микросхемами (т. е. совместимость управляющих напряжений ППИ с амплитудами логических уровней ИМС) и, во-вторых, возможность выпуска ППИ в виде ограниченного количества унифицированных модулей. Шифр 04 Задача 10 Вариант6 Дано: R =1кОм, С=3мкФ, на вход цепи подаются положительные импульсы t и=15мс.

Определить тип фильтра и его граничную частоту, построить АЧХ, эпюру выходного напряжения. Схема фильтра: Форма входного сигнала: 1.Определяем тип фильтра и его граничную частоту. ВЧ RC -фильтр Граничная частота: Гц Амплитудно-частотная хар-ка ВЧ фильтра: К= U вых/ U вх = где = RC = c =3 мс постоянная времени цепи =2 f Выходное напряжение: U вых= U вхU с ; U с изменяется по экспоненциальному закону (заряд и разряд конденсатора),то U вых имеет вид U вых.(0)= U вх.( t и), длительность переходного процесса равна 3 t и =15 мс, следовательно U вых.( t и)=0.В момент спада входного напряжения от U м до 0, выходное напряжение скачком изменяется от 0 до – U м, т.к. U вх= U вых+ U с=0, а U с мгновенно изменится не может. Шифр 04 Задача 11 Вариант2 Дано: Схема усилительного каскада с общим эмиттером, тип тра-ра КТ912А,ВАХ транзистора, U п= 9В, амплитуда Ег=15мВ, R к=680 Ом, R э=180 Ом, R 1= 68кОм, R 2= 7,5 кОм.

Требуется определить рабочий участок нагрузочной прямой, макс. значение амплитуды входного сигнала, значение коэффициента усиления по току, наибольшее амплитудное значение тока входного сигнала, режим работы каскада, возможный диапазон КПД и нелинейных искажений, определить нормальность работы транзистора; нарисовать эпюру выходного напряжения, если входное напряжение-синусоидальное. Схема усилительного каскада Нагрузочная прямая проводится через току U кэ= U п=9В на оси ординат выходной ВАХ транзистора и через точку Iк= U к/ R к=9/680=0,0132А=13,2мА на оси абсцисс. В этом случае транзистор постоянно находится в режиме отсечки. Для работы в линейном режиме изменим величину R к.

Принимаем R к= 0,68 Ом,тогда Iк= U к/ R к=9/0,68=13,2 А. Через точку Iк=13,2 А и точку U кэ=9 В проводим нагрузочную прямую.

Рабочий участок нагрузочной прямой отрезок АВ. Максимальная амплитуда входного сигнала: U кэ m max =8,1-2,5/2=2,8В Коэффициент усиления по току: = h 21э = U кэ= const = ,определён при U кэ=5,8В Наибольшее амплитудное значение тока входного сигнала: Iвх m max = Режим работы транзистора определяется положением рабочей точки.

Резисторы R 1, R 2 представляют собой делитель напряжения, создающий на базе транзистора U б.0 отсюда В По входной хар-ке находим Iбо=165 мА По выходным хар-ам определяем U кэ.о= 4,5 В, Iк.о=6,5 А Амплитуда напряжения Б-Э: U б. m =Ег=0,015 В Усилительный каскад работает в режиме А, т.к. при синусоидальном входном напряжении выходной сигнал также имеет синусоидальную форму, нелинейных искажений практически не возникает. Ток коллектора протекает в течении всего периода изменения U вх= U б. На коллекторе рассеивается мощность Рк= U э.о * I к.о=4,5*6,5=29,25 Вт.

Предельно допустимые значения Рк равно Рк max = 30 Вт, т.е. режим работы транзистора считается нормальным,т.к. выполняется условие: Рк Рк max Мощность выходного сигнала: Рвых.= Iк. m =0,5А ; U к m =0,4 В, которые были определены по ВАХ для U б.о.=0,015 В КПД каскада в заданном режиме: КПД возможно увеличить, если уменьшить U б.о., для этого нужно уменьшить сопротивление R 2. Так как амплитуда входного напряжения маленькая, то коэффициент нелинейных искажений увеличится ненамного. При U б.о.=0,5 В значения остальных хар-ик составят: Iк.о=50 мА, U кэ.о= 6,8 В ,Iк.о=3 А ,Рк max = U кэ.о* Iк.о= 6,8*3=20,4 Вт При U б.о.=0,3 В Iк.о=25 мА, U кэ.о= 7,6 В ,Iк.о=2 А ,Рк max =15,2 Вт При увеличении амплитуды входного сигнала КПД увеличивается, коэффициент нелинейных искажений возрастает,т.к. при большом значении U б. m . отрезок входной ВАХ от U б. min до U б. max уже нельзя считать линейным. Iб.о=165 мА, U б.о.= 0,894 В ,Iк.о=6,5 А , U кэ.о= 4,5В максимальная величина U б. m , при которой усилитель работает в классе А составляет примерно 0,5 В Шифр 04 Задача 12 Вариант3 Дано: Схема каскада, форма входного сигнала синусоидальная. Как изменится сигнал на выходе усилительного каскада или его АЧХ при значительном изменении элемента С1. Увеличение ёмкости С1 приведёт к уменьшению граничной частоты ВЧ-фильтра на входе усилительного каскада Чем больше ёмкость С1, тем меньше f гр. Шифр 04 Задача 13 Вариант8 Дано: Схема опыта, результаты опыта.

Определить показания вольтметра PV 3, определить какую математическую операцию может выполнять схема.

Аргумент 1 cos( t) . Нарисовать принципиальную электрическую схему на базе операционного усилителя и эпюры выходного напряжения.

Принимаем аргумент 1 cos ( t )= U 1, тогда схема имеет вид: U 1( t )= cos t , U вых( t )=К* U 1( t ) dt =К1 sin t , где К и К1 коэффициенты пропорциональности. Шифр 04 Задача 15 Вариант1 Дано: Структурная схема источника вторичного питания, типы элементов структурной схемы: Трансформатор – ТР Выпрямительная группаВГ (однополупериодный выпрямитель) Сглаживающий фильтр-СФ (Г-образный RC -фильтр) Стабилизатор-Ст (параметрический) Нарисовать принципиальную электрическую схему источника питания, показать его работу с помощью эпюр напряжения.

Проанализировать работу схемы при выходе из строя стабилитрона VD2 . Трансформатор преобразует (снижает или увеличивает) в зависимости от назначения входное напряжение.

Однополупериодный выпрямитель преобразует переменный ток, в ток одного направления. RC -фильтр при включении конденсатора параллельно нагрузке сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.

Параметрический стабилизатор на основе стабилитрона, используя его нелинейный характер , не даёт напряжению возрасти выше напряжения стабилизации, которое зависит только от типа стабилитрона и не изменяется при изменении тока протекающего через стабилитрон. При выходе из строя, стабилитрон прекращает выполнять функцию ограничителя в источнике питания, пульсации сглаживаются только RC -фильтром. Эпюры напряжения (входного , U2) Эпюры напряжения при исправном стабилитроне VD2 Эпюры напряжения при неисправном стабилитроне VD 2 Шифр 04 Задача 16 Вариант6 Дано: Математическая функция y = f ( Z 1;Z2)= Операнды Z 1;Z2- двухразрядные, двоичные Разработать схему на логических элементах, которая решает эту функцию.

	Z2	y	примечания
0	0	«любой»
01	01	«любой»
01		00
		01
01		00
		01

№	Z 1	Z2	y1	y2	y	примечания
x1	x2	x3	x4
0.	0	0	0	0	1	0	«любой»
1.	0	0	0	1	1	1	«ошибка».
2.	0	0	1	0	1	1	«ошибка».
3.	0	0	1	1	1	1	«ошибка».
4.	0	1	0	0	1	1	«ошибка».
5.	0	1	0	1	1	0	«любой»
6.	0	1	1	0	0	0	0
7.	0	1	1	1	0	0	0
8.	1	0	0	0	1	1	«ошибка».
9.	1	0	0	1	1	1	«ошибка».
10.	1	0	1	0	0	1	1
11.	1	0	1	1	1	1	«ошибка».
12.	1	1	0	0	1	1	«ошибка».
13.	1	1	0	1	1	1	«ошибка».
14.	1	1	1	0	1	1	«ошибка».
15.	1	1	1	1	0	1	1

Выполнить данную лог. функцию на базе мультиплексора К155КП7. Логическая функция: y = f ( x 1, x 2, x 3)= x 1* x 2* x 3 условно-графическое обозначение логического элемента ЗИ Микросхема представляет собой селектор-мультиплексор на восемь каналов со стробированием. В зависимости от установленного на входах A,B,C кода разрешает прохождение сигнала на выходы Y1 и Y2 только от одного из восьми информационных входов D0-D7, при этом на входе стробирования V должно быть установлено напряжение низкого уровня. При высоком уровне напряжения на входе V выход Y1 устанавливается в состояние низкого ровня напряжения, а выход Y2 соответственно в состояние высокого уровня.

Таблица истинности логического элемента ЗИ

Нарисовать условно-графическое обозначение микросхемы, определить логические уровни на выходах.

Условно-графическое обозначение и функциональная схема микросхемы К155ИД1 1 - выход V8; 2 - выход V9; 3 - вход X1; 4 - вход X4; 5 - напряжение питания (+U п ); 6 - вход X2; 7 - вход X3; 8 - выход V2; 9 - выход V3; 10 - выход V7; 11 - выход V5; 12 - общий; 13 - выход V4; 14 - выход V5; 15 - выход V1; 16 - выход V0; Микросхема представляет собой высоковольтный дешифратор управления газоразрядными индикаторам.

Предназначена для преобразования двоично-десятичного кода в десятичный.

Дешифратор состоит из логических ТТЛ-схем и десяти высоковольтных транзисторов. На входы X1-X4 поступают числа от 0 до 9 в двоичном коде, при этом открывается соответствующий выходной транзистор. Номер выбранного выхода соответствует десятичному эквиваленту входного кода. Коды, эквивалентные числам от 10 до 15, дешифратором на выходе не отображаются.

Содержит 83 интегральных элемента.

Уровни сигналов на входах дешифратора